Рекомендации по программированию 1 страница

При программировании приложений для контроллеров, использующих для связи интерфейс RS-485, следует учитывать несколько моментов:

· Перед началом выдачи посылки нужно включить передатчик. Хотя некоторые источники утверждают, что выдачу можно начинать сразу после включения, мы рекомендуем выдержать паузу, равную или большую длительности передачи одного фрейма (включая стартовый и стоповый биты). В этом случае правильная программа приема успевает обнаружить ошибки переходного процесса, нормализоваться и подготовиться к приему первого байта данных.

· После выдачи последнего байта данных следует также выдержать паузу перед выключением передатчика RS-485. Это связано с тем, что контроллер последовательного порта обычно имеет два регистра: параллельный входной для приема данных и выходной сдвиговый для последовательного вывода. Прерывание по передаче контроллер формирует при опустошении входного регистра, когда данные уже выложены в сдвиговый регистр, но ещё не выданы! Поэтому с момента прерывания до выключения передатчика нужно выдержать паузу. Ориентировочная длительность паузы — на 0,5 бита длиннее фрейма, для точного расчета следует внимательно изучить документацию на контроллер последовательного порта.

· Поскольку передатчик и приемник интерфейса RS-485 подключены к одной линии, то собственный приемник будет "слышать" передачу своего же передатчика. Иногда, в системах с произвольным доступом к линии, это свойство используют для проверки отсутствия "столкновений" двух передатчиков. В системах, работающих по принципу "ведущий - ведомый", на время передачи лучше просто закрывать прерывания от приемника.

Ethernet — стандарт для локальных сетей, объединяющих контроллеры и сервера.

Отличие Ethernet от других сетей (например, Arcnet, Token Ring) состоит в методе доступа передающего устройства к среде передачи. В Ethernet все устройства равнозначны. Устройство прослушивает линию и начинает передачу при отсутствии сигнала. В процессе передачи устройство контролирует правильность передачи собственным приемником. При обнаружении в это время чужой передачи (по искажению принимаемого сигнала) устройство прерывает передачу и выдерживает паузу случайной длительности, после чего повторяет попытку передачи.

Первые сети Ethernet строились с использованием коаксиального кабеля и имели строго линейную структуру. Сейчас стандартной средой для передачи сигнала стал кабель из нескольких витых пар. Компьютеры подключают не напрямую друг к другу, а через концентраторы (часто используется жаргонное слово "хаб" — англ. hub). В последнее время часто вместо "хабов" используют коммутаторы ("свич" — англ. switch), которые обладают более развитым "интеллектом" и позволяют несколько разгрузить сеть. Раньше для подключения компьютера к сети Ethernet в компьютер устанавливали специальную сетевую плату, в настоящее время интерфейсные микросхемы и разъем смонтированы прямо на материнской плате.

Разъем типа RJ-45 для подключения Ethernet на витой паре (плата процессорного модуля контроллера). Разъем дополнительно оснащён двумя светодиодами (в правой части фото), один из которых показывает наличие связи с коммутатором, а второй — передачу данных.

Данные в сети передаются пакетами до 1,5 килобайт. Скорость передачи данных (максимальная) составляет 10 или 100 Мбит/с и даже 1 Гбит/с, в зависимости от используемого оборудования и кабелей. Следует заметить, что Ethernet не гарантирует фиксированного времени задержки при передаче информационного пакета, особенно при сильной загрузке сети, когда кому-то захотелось посмотреть по сети фильм...

Ethernet проникает и в сферу промышленной автоматизации, и сейчас многие промышленные контроллеры имеют возможность подключения к Ethernet. Особенно привлекательно такое решение выглядит при автоматизации промышленных предприятий, где сеть уже проложена. Для подключения приборов, не имеющих интерфейса Ethernet, выпускают преобразователи, например, конвертор RS-232 в Ethernet. Для работы с такими конверторами на ПЭВМ устанавливают специальный драйвер, после чего у ПЭВМ появляется дополнительный виртуальный COM-порт, через который можно связываться с прибором.

Силовой выход системы управления

В настоящее время основными полностью управляемыми приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50А и напряжений до 500В являются биполярные транзисторы (BPT) и идущие им на смену полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Нишу высоковольтных силовых приборов с большими уровнями токов и напряжениями до единиц киловольт заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT- Insulated Gate Bipolar Transistor) [1].

MOSFET транзисторы, появившиеся в 80-х годах, имели характеристики, близкие к характеристикам идеального ключа и являлись наиболее популярными ключевыми элементами. Однако оказалось, что главным параметром, ограничивающим область их применения, является допустимое напряжение на стоке. Высоковольтных MOSFET транзисторов с достаточно хорошими характеристиками создать пока не удается, так как сопротивление канала открытого транзистора растет пропорционально квадрату напряжения пробоя. Это затрудняет их применение в устройствах с высоким КПД.

В середине 80-х годов возникла идея создания биполярного транзистора с полевым управлением, а уже в середине 90-х годов в каталогах ряда компаний (среди которых одной из первых была International Rectifier) появились транзисторы IGBT. В настоящее время в каталогах всех ведущих производителей мощных полупроводниковых приборов можно найти эти транзисторы.

Помимо области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBT-транзисторы используются в бытовой технике для управления относительно маломощными приводами с широким диапазоном регулирования скорости вращения. Так IGBT нашли применение в стиральных машинах и инверторных кондиционерах. Их также с успехом применяют в качестве высоковольтных ключей для электронного зажигания автомобилей. Эти транзисторы с улучшенной характеристикой переключения широко используются в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем. IGBT-прибор представляет собой биполярный p-n-p транзистор, управляемый от сравнительно низковольтного MOSFET-транзистора с индуцированным каналом (рис.1,а).

Рис. 1. Эквивалентные схемы IGBT транзистора

IGBT-приборы являются компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных (малое падение напряжения в открытом состоянии, высокие коммутируемые напряжения), так и MOSFET-транзисторов (малая мощность управления, высокие скорости коммутации). В то же время потери у них растут пропорционально току, а не квадрату тока, как у полевых транзисторов.

Максимальное напряжение IGBT-транзисторов ограничено только технологическим пробоем и уже сегодня выпускаются приборы с рабочим напряжением до 4000В. При этом остаточное напряжение на транзисторе во включенном состоянии не превышает 2…3В. По быстродействию силовые IGBT-приборы пока уступают MOSFET-транзисторам, но превосходят биполярные.

Структура базовой IGBT-ячейки представлена на рис.2а. Она содержит в стоковой области дополнительный p⁺-слой, в результате чего и образуется p-n-p биполярный транзистор с очень большой площадью, способный коммутировать значительные токи. При закрытом состоянии структуры внешнее напряжение приложено к обедненной области эпитаксиального n^–-слоя.

При подаче на изолированный затвор положительного смещения возникает проводящий канал в р-области (на рисунке обозначен пунктирной линией) и включается соответствующий МДП транзистор, обеспечивая открытие биполярного p-n-p транзистора. Между внешними выводами ячейки? коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока МДП-транзистора оказывается усиленным в (?+1) раз. При включенном биполярном транзисторе в n^–-область идут встречные потоки носителей (электронов и дырок), что ведет к падению сопротивления этой области и дополнительному уменьшению остаточного напряжения на приборе.

Рис.2. Структуры элементарных ячеек IGBT транзисторов

Напряжение на открытом приборе складывается из напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе p-n-p-транзистора (диодная составляющая) и падения напряжения на сопротивлении модулируемой n^–-области (омическая составляющая):

, где:

· R_МДП- сопротивление MOSFET транзистора в структуре IGBT (сопротивление эпитаксиального n^–-слоя);

· b- коэффициент передачи базового тока биполярного p-n-p-транзистора.

В настоящее время для уменьшения падения напряжения на IGBT транзисторах в открытом состоянии, расширения диапазонов допустимых токов, напряжений и области безопасной работы они изготавливаются по технологии с вертикальным затвором- trench-gate technology (рис.2б). При этом размер элементарной ячейки уменьшается в 2…5раз. Как правило, в области рабочих токов, на которые проектируется структура IGBT, остаточное напряжение на приборе слабо зависит от температуры (рис.3).

Рис. 3.

На рис 3 показана зависимость падения напряжения на открытом приборе от температуры для высоковольтного MOSFET транзистора IRF840 и IGBT транзисторов при токе 10А Усилительные свойства IGBT-прибора характеризуются крутизной S, которая определяется усилительными свойствами МДП и биполярного транзисторов в структуре IGBT. Соответственно, значение крутизны для IGBT является более высоким в сравнении с биполярными и МДП-транзисторами.

Динамические характеристики IGBT структуры определяются внутренними паразитными емкостями, состоящими из межэлектродных емкостей МДП-транзистора и дополнительных емкостей p-n-p-транзистора.

Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2…0,4 и 0,2…1,5мкс соответственно. Область безопасной работы современных IGBT транзисторов позволяет успешно обеспечить их надежную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20кГц. Типовые характеристики IGBT-транзисторов приведены на рис.4-6 [2].

Рис. 4.

На рис.4 показано семейство выходных вольтамперных характеристик IGBT-транзистора

Рис. 5.

На рис.5. показана зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер от напряжения затвор-эмиттер

Рис. 6.

На рис.6 показаны динамические характеристики IGBT транзисторов (для полумостовой схемы с индуктивной нагрузкой):

· t_{d (on)} и t_{d (off)}- времена задержки переключения;

· t_r- время нарастания коллекторного тока;

· t_f- время спада коллекторного тока

В общем случае выход из строя IGBT-транзисторов связан с нарушением границ области безопасной работы. Основная часть аварийных ситуаций связана с превышением максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер. Индуктивная нагрузка и переходные режимы напряжения питания коллекторной цепи также могут вызвать разрушение IGBT-приборов.

Неприятной особенностью IGBT-транзисторов некоторых производителей является эффект "защелки", который связан с наличием триггерной схемы, образованной биполярной частью IGBT-структуры и паразитным n-p-n транзистором (рис.1б). При определенных условиях работы, когда напряжение на паразитном резисторе R_s превышает некоторое пороговое значение, n-p-n транзистор открывается, триггер опрокидывается и происходит защелкивание. Следствием этого, как правило, является лавинообразный выход прибора из строя.

При разработке электронных схем с использованием IGBT-транзисторов в которых такая ситуация возможна, следует особое внимание уделять ограничению максимальных токов и ограничению dV/dt. Для ограничения тока короткого замыкания при аварийном режиме рекомендуется включение между затвором и эмиттером защитной цепи, предотвращающей увеличение напряжения затвор-эмиттер при резком нарастании тока коллектора.

Наилучшим вариантом является подключение параллельно цепи затвор-эмиттер последовательно соединенных диода Шоттки и конденсатора, заряженного до напряжения +15…+16В. Допускается применение в качестве защитного элемента стабилитрона на напряжение 15…16В. Для защиты IGBT-транзисторов от коммутационных перенапряжений в цепи коллектор-эмиттер следует применять снабберные RC и RCD-цепи, установленные непосредственно на силовых выводах [1].

Затвор IGBT-транзисторов электрически изолирован от канала очень тонким слоем диэлектрика и легко может быть поврежден при неправильной эксплуатации. Для нормального включения и перевода IGBT-транзистора в состояние насыщения при обеспечении минимальных потерь в этом состоянии необходим заряд входной емкости прибора (1000…5000пФ) до +15  10%. Перевод прибора в закрытое состояние может осуществляться как подачей нулевого напряжения, так и отрицательного- не более –20В (обычно в пределах –5…–6В). Максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер не должно превышать +20В. Превышение этого напряжения может пробить изоляцию затвора и вывести прибор из строя. Не рекомендуется работа IGBT-транзистора и при "подвешенном" затворе, так как в противном случае возможно ложное включение прибора.

С целью снижения динамических потерь и увеличения частоты коммутации необходимо обеспечить малое время переключения прибора. Время переключения для большинства ключей на IGBT-транзисторах лежит в пределах 100…1000нс., что требует обеспечивать перезаряд входной емкости в течение короткого времени с помощью токовых пиков до 5А и более. Необходимо также уменьшать отрицательную обратную связь, которая может возникнуть из-за индуктивности слишком длинного соединительного проводника к эмиттеру прибора.

Длина соединительных проводников между управляющей схемой и мощным полевым транзистором должна быть минимальной для исключения помех в цепи управления. Для соединения целесообразно использовать витую пару минимальной длины или прямой монтаж платы управляющей схемы на выводы управления транзистора. Если не удается избежать длинных проводников в цепи затвора, то в качестве меры предосторожности необходимо включить последовательно с затвором резистор с небольшим сопротивлением. Обычно достаточно, чтобы сопротивление этого резистора лежало в диапазоне 100…200Ом.

Следует отметить, что IGBT-транзисторы не так чувствительны к электростатическому пробою, как, например, КМОП-приборы, из-за того, что входная емкость мощных IGBT-транзисторов значительно больше и может вместить в себя большую энергию, прежде чем разряд вызовет необратимый пробой затвора. Однако при транспортировке и хранении этих приборов затвор и эмиттерный вывод должны быть закорочены токопроводящими перемычками, которые не должны сниматься до момента подключения транзистора в схему.

Производить монтажные работы с IGBT-транзисторами необходимо только при наличии антистатического браслета. Все инструменты и оснастка, с которыми может контактировать модуль, должны быть заземлены. Для защиты затвора от статического пробоя непосредственно в схеме необходимо подключение параллельно цепи затвор-эмиттер резистора сопротивлением 10…20кОм. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов, используемые различными производителями на принципиальных схемах электронных устройств, приведены на рис.7.

Рис. 7. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов

Компания International Rectifier (IR) выпускает четыре семейства IGBT-транзисторов, ориентированных на применение в различных областях силовой электроники. Разделение по классам идет по диапазону рабочих частот. Так выделяют семейства Standart, Fast, UltraFast, Warp (табл.1).

Таблица 1. Сравнительные характеристики различных семейств IGBT-транзисторов компании IR

Параметр	Семейства IGBT-транзисторов
Standart	Fast	UltraFast	Warp
Uкэ, В	1,3	1,5	1,8	2,1
Энергия переключения, мДж/А?мм^2	0,54	0,16	0,055	0,03
Статические потери, Вт	0,625	0,75	0,95	1,1

Транзисторы семейства Standart оптимизированы на применение в цепях, где необходимо малое падение напряжения на ключе и малые статические потери. Транзисторы семейства UltraFast и Warp оптимизированы на применение в ВЧ цепях, где необходимо иметь малые динамические потери. Малая энергия переключения позволяет использовать транзисторы Warp вплоть до частот 150кГц, а транзисторы UltraFast- до 60кГц при приемлемом уровне динамических потерь.

Транзисторы семейства Fast являются некоторым компромиссом между рассмотренными семействами. Обладая невысоким падением напряжением и приемлемыми потерями, транзисторы Fast могут использоваться в цепях, где не требуется очень высокие скорости переключения, в схемах, где применение Standart приведет к большим динамическим потерям, а применения Warp приведет к высоким статическим потерям. По скоростям переключения сравнимы с биполярными транзисторами.

В рекомендациях по применению компания International Rectifier указывает, что в IGBT транзисторах нового поколения триггерная структура подавлена полностью. Кроме этого обеспечивается почти прямоугольная область безопасной работы. Цифробуквенное обозначение IGBT-транзисторов, выпускаемых компанией приведено на рис.8.

Рис. 8. Обозначение IGBT-транзисторов компании IR

В табл.2 приведены параметры IGBT-транзисторов средней мощности с максимальным напряжением 600В, которые находят широкое применение в бытовой и офисной технике [3].

Таблица 2. IGBT-транзисторы компании IR

Наименование	Корпус	Рабочие частоты, кГц	Uкэ макс, В	Uкэ вкл, В	Iк (25^оC)	Iк (100^оC)	Р, Вт
IRG4BC10K	TO-220AB	8-25		2,62	9,0	5,0
IRG4BC10S	TO-220AB	1		1,70		8,0
IRG4BC20F	TO-220AB	1-8
IRG4BC20FD-S	D2-Pak	1-8		1,66
IRG4BC20K (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	8-25		2,80		9,0
IRG4BC20S	TO-220AB	1		1,6
IRG4BC20U	TO-220AB	8-60		2,1		6,5
IRG4BC20W (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	60-150		2,60		6,5
IRG4BC30F	TO-220AB	1-8		1,8
IRG4BC30K (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	8-25		2,70
IRG4BC30S (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	1		1,60
IRG4BC30U	TO-220AB	8-60		2,1
IRG4BC30U-S	D2-Pak	8-60		1,95
IRG4BC30W (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	60-150		2,70
IRG4BC40F	TO-220AB	1-8		1,7
IRG4BC40K	TO-220AB	8-25		2,6
IRG4BC40S	TO-220AB	1		1,5
IRG4BC40U	TO-220AB	8-60		2,10
IRG4BC40W	TO-220AB	60-150		2,50
IRG4IBC20W	TO-220 FullPak	60-150		2,60	11,8	6,2
IRG4IBC30S	TO-220 FullPak	1		1,6	23,5
IRG4IBC30W	TO-220 FullPak	60-150		2,70		8,4
IRG4PC30F	TO-247AC	1-8		1,80
IRG4PC30K	TO-247AC	8-25		2,70
IRG4PC30S	TO-247AC	1		1,60
IRG4PC30U	TO-247AC	8-60		2,10
IRG4PC30W	TO-247AC	60-150		2,70
IRG4PC40F	TO-247AC	1-8		1,70
IRG4PC40K	TO-247AC	8-25		2,6
IRG4PC40S	TO-247AC	1		1,50
IRG4PC40U	TO-247AC	8-60		2,10
IRG4PC40W	TO-247AC	60-150		2,50
IRG4PC50F	TO-247AC	1-8		1,60
IRG4PC50K	TO-247AC	8-25		2,20
IRG4PC50S	TO-247AC	1		1,36
IRG4PC50S-P	SM TO-247	?1		1,36
IRG4PC50U	TO-247AC	8-60		2,00
IRG4PC50W	TO-247AC	60-150		2,30
IRG4PC60F	TO-247AC	1-8		1,80
IRG4PC60U	TO-247AC	8-60		2,00
IRG4PSC71K	TO-274AA	8-25		2,30
IRG4PSC71U	TO-274AA	8-60		2,00
IRG4RC10K	D-Pak	8-25		2,62
IRG4RC10S	D-Pak	1		1,7
IRG4RC10U	D-Pak	8-60		2,6	8.5
IRG4RC20F	D-Pak	1-8		2,1
IRGB30B60K	TO-220AB	10-30		2,35
IRGB4B60K	TO-220AB	-		2,5		6,8
IRGB6B60K	TO-220AB	10-30		1,80
IRGB8B60K	TO-220AB	10-30		2,2		9,0
IRGS30B60K	D2-Pak	10-30		2,35
IRGS4B60K	D2-Pak	-		2,5		6,8
IRGS6B60K	D2-Pak	10-30		1,80
IRGS8B60K	D2-Pak	10-30		2,2		9,0
IRGSL30B60K	TO-262	10-30		2,35
IRGSL4B60K	TO-262	-		2,5		6,8
IRGSL6B60K	TO-262	10-30		1,80
IRGSL8B60K	TO-262	10-30		2,2		9,0

Источники бесперебойного питания (ИБП)

Источники бесперебойного питания (ИБП) предназначены для защиты электрооборудования пользователя от любых неполадок в сети, включая искажение или пропадание напряжения сети, а также подавления высоковольтных импульсов и высокочастотных помех, поступающих из сети. Разнообразие топологии и структурное построение ИБП рассмотрены в ряде работ

В соответствии с международным стандартом IEC 62040-3 [1,2] современные ИБП разделяются на три основных типа:

• ИБП резервного типа - Passive Standby UPS (ранее назывался Off-Line UPS);
• ИБП линейно-интерактивного типа - Line-Interactive UPS;
• ИБП с двойным преобразованием энергии - Double-Conversion UPS (ранее назывался On-Line UPS).

Общая структура ИБП резервного типа, представленная на рисунке 1, содержит входной фильтр (ВФ), зарядное устройство (ЗУ), инвертор (ИНВ), аккумуляторную батарею (АБ), блок коммутации (БК), регулирующий стабилизатор (СТ).

Рис.1 Общая структура ИБП резервного типа

В наиболее простых и дешевых моделях ИБП резервного типа стабилизатор отсутствует. Инвертор подключен параллельно сетевому источнику и действует как источник резервного питания.

При наличие сетевого напряжения соответствующего качества нагрузка подключается коммутатором к сети через высокочастотный входной фильтр ВФ и стабилизатор СТ. В качестве последнего могут быть использованы феррорезонансный трансформатор или автотрансформатор с переключаемыми отводами обмотки [3] (см. рис.2), выполняющий функции дискретного регулятора (корректора) напряжения. Данная функция обеспечивает расширение диапазона входного напряжения, при котором не происходит переключение в аккумуляторный режим.

Рис.2 Подключение нагрузки к сети через автотрансформатор с переключаемыми отводами обмотки

При отклонении входного напряжения более допустимого или пропадании сети происходит переключение нагрузки на инвертор, выходное напряжение которого имеет прямоугольную форму с регулируемыми паузами между положительными и отрицательными импульсами (см. рис.3). Это обеспечивает стабилизацию действующего значения основной гармоники выходного напряжения (50 Гц) при изменении напряжения аккумуляторной батареи. Таким образом, ИБП резервного типа представляют собой комбинацию стабилизатора и инвертора, коммутируемых с помощью автомата ввода резерва (АВР).

Дата добавления: 2014-12-25